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傳感器有很多種，其中“壓電式傳感器”是一種基于壓電效應(yīng)的傳感器，是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成，壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。
壓電式傳感器用于測(cè)量力和能變換為電的非電物理量。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等；缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來(lái)克服這一缺陷。
傳感器的組成
一、工作原理
壓電式傳感器的工作原理就是基于某些晶體在受力后，在晶體表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)，可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。
正壓電效應(yīng)是指：當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。
逆壓電效應(yīng)是指：對(duì)晶體施加交變電場(chǎng)引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應(yīng)。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。
二、壓電材料的分類
為使壓電傳感器的壓電元件同時(shí)起著敏感力/壓力和力電轉(zhuǎn)換的功能，其制作需要使用壓電材料。應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電晶體、經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷、新型壓電材料。
1.壓電晶體
石英單晶化學(xué)成分為SiO2，為天然單晶壓電材料；其機(jī)械強(qiáng)度高，莫氏硬度為7；熔點(diǎn)高達(dá)1750℃，居里溫度高；絕緣性好，其性能如介電常數(shù)和壓電特性非常穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、重復(fù)性好、線性范圍寬、動(dòng)態(tài)特性好；另外鈮酸鋰（LiNbO3）、鉭酸鋰（LiTaO）也屬于壓電晶體。壓電晶體Q值較大，有良好的溫度特性，但存在壓電常數(shù)較弱、制作加工困難的缺點(diǎn)。
2.壓電陶瓷
壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造合成的多晶塊狀壓電材料，具有制備簡(jiǎn)單、工藝可靠、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)；含有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)，可按需制成任意形狀和按任意方向極化、壓電性能可調(diào)；極化后的成品具有顯著的壓電效應(yīng)，壓電系數(shù)可達(dá)到石英晶體的數(shù)百倍。
其中鈦酸鋇材料（BaTiO，）是人工制造和應(yīng)用較早的壓電陶瓷，首先由鈦酸鋇粉末和二氧化鈦（TiO，）粉末等比例摩爾量配制，然后高溫?zé)Y(jié);得到的鈦酸鋇陶瓷d，較大，比石英提高約50 倍;但鈦酸鋇壓電陶瓷居里溫度Tc不到120℃，導(dǎo)致工作溫度不能超過(guò)60℃，應(yīng)用溫度范圍小，其機(jī)械性能也弱于石英。
現(xiàn)今普遍使用的是鋯鈦酸鉛（PZT）系列壓電陶瓷，工藝和制造技術(shù)成熟、可靠，其居里溫度Tc在300℃以上，性能非常穩(wěn)定，且壓電性能較鈦酸鋇壓電陶瓷又有大幅提高，具有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。而20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的鈮鎂酸鉛PMN（PbMg，NbO，）壓電陶瓷，也具有較高的壓電常數(shù)和工作溫度，而且能承受較高的縱向壓力；可由鈮鎂酸鉛、鋯酸鉛和鈦酸鉛混合按不同比例配出不同性能的多元系PMN-PZT壓電陶瓷，滿足應(yīng)用需求。
3.新型壓電材料
①壓電半導(dǎo)體材料：ZnO、CdS（硫化鎘）、CdTe（碲化鎘）等都屬于壓電半導(dǎo)體材料，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測(cè)力和溫度等參數(shù)。
②高分子壓電材料：某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場(chǎng)極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。
三、壓電傳感器的應(yīng)用
壓電式傳感器有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、靈敏度高、可靠性高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此比較適合一些動(dòng)態(tài)力學(xué)的測(cè)量，主要使用在跟力相關(guān)的一些動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)量，如動(dòng)態(tài)力機(jī)械沖擊震動(dòng)，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都有得到廣泛的應(yīng)用。
1.壓電式測(cè)力傳感器
壓電式測(cè)力傳感器是利用壓電元件直接實(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉、壓場(chǎng)合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測(cè)量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)特性好。當(dāng)采用大時(shí)間常數(shù)的電荷放大器時(shí)，可測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)力。按測(cè)力狀態(tài)分，有單向、雙向和三向傳感器，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上基本一樣。
圖所示為壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。傳感器用于機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量。絕緣套用來(lái)絕緣和定位。基座內(nèi)外底面對(duì)其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有嚴(yán)格的要求，否則會(huì)使橫向靈敏度增加或使片子因應(yīng)力集中而過(guò)早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經(jīng)過(guò)多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環(huán)境下進(jìn)行裝配，加蓋之后用電子束封焊。
壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)類型很多，但它們的基本原理與結(jié)構(gòu)仍與壓電式加速度和力傳感器大同小異。突出的不同點(diǎn)是，它必須通過(guò)彈性膜、盒等，把壓力收集、轉(zhuǎn)換成力，再傳遞給壓電元件。為保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采用石英晶體作為壓電元件。
2.壓電式加速度傳感器
圖所示為壓縮式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，壓電元件一般由兩片壓電片組成。在壓電片的兩個(gè)表面上鍍銀層，并在銀層上焊接輸出引線，或在兩個(gè)壓電片之間夾一片金屬，引線就焊接在金屬片上，輸出端的另一根引線直接與傳感器基座相連。在壓電片上放置一個(gè)比重較大的質(zhì)量塊，然后用一硬彈簧或螺栓、螺帽對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷。整個(gè)組件裝在一個(gè)厚基座的金屬殼體中，為了隔離試件的任何應(yīng)變傳遞到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號(hào)輸出，所以一般要加厚基座或選用剛度較大的材料來(lái)制造。
測(cè)量時(shí)，將傳感器基座與試件剛性固定在一起。當(dāng)傳感器感受到振動(dòng)時(shí)，由于彈簧的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對(duì)較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小，因此質(zhì)量塊感受到與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個(gè)表面上就產(chǎn)生了交變電荷（電壓），當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，即與試件的加速度成正比。輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測(cè)量器測(cè)出試件的加速度，如在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測(cè)出試件的振動(dòng)加速度或位移。
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